Structure et dynamique du système Lithosphère/Asthénosphère

Structure et dynamique
du système
Lithosphère/Asthénosphère
5-Méthodes sismologiques et magnéto-telluriques:
structure “stratifiée” dans le manteau supérieur
(Suite)
Barbara Romanowicz - Cours 2013
-Chaire de Physique de l’Intérieur de la Terre
Collège de France
4 Novembre 2013
!"
1 - Ondes ScS
multiples
Bagley and Revenaugh, 2008
#"
2- Ondes converties Ps et Sp
Fonctions “récepteur”
Loi de la réfraction:
r sin !
= p %"&'()*+(*,"
v
!1
23'(*"45'(4,"
•  Ondes converties sous les stations
•  Echantillonnent surtout les continents
•  Ps mais aussi Sp
v1
v2
!2
-+.").)/.01,"
$"
Stations sismologiques large bande fond de mer, installées en
fond de puits: WP1, WP2:
Projet japonais: “OHP” (Ocean Hemisphere Project)
Installées en 2000
et 2001 (ODP – Ocean Drilling Project)
Données récupérées par ROV
6"
Ondes converties Ps et Sp
sous la plaque Philippine
33-49 My
89:;<"=>"?/@"
Kawakatsu et al., 2009
15-27 My
89:;<"77"?/@"
7"
129Ma
9:;"A"B#"CDE"6?/"
Kawakatsu et al., 2009
>"
Profondeur de la zone de fusion
partielle correspondant à une
solubilité d’H20 de 10-3
calculé pour le modèle de
Mierdel et al. (2007)
->Dépendance avec l’âge exclut le modèle
d’extraction d’eau aux rides
-> Discontinuité d’epaisseur moins de 10-15 km
avec saut de vitesse de 7-8% exclut le modèle purement thermique
-> fusion partielle (?)
Kawakatsu et al., 2009
="
Kawakatsu et al. (2009): contraste de vitesse de 7-8% => proportion de fusion
partielle de 3.5 à 4.0%, dix fois trop!
-> proposent une structure en bandes alternées de fusion partielle
Kawakatsu et al., 2009
B"
ION Priority Seismic Sites
ION: International Ocean Network
2002
(2002)
ION: International Ocean Network
1992
ION: International Ocean Network
1996-2001
1998
2001
2002
1992
1998
Drilled but never instrumented
MOBB:
2003-present
MOBB
F'(*,3,G"H&,+(";'I'/";3'+4J+(4"
"HJ),3K+*'3G"
•  Projet du laboratoire de
sismologie de l’université de
Californie à Berkeley, en
collaboration avec MBARI
(Monterey Bay Aquarium
Research Institute)
•  Station sismologique fond de
mer large bande installée en
Avril 2002
•  Plus de 11 ans de données en
continu
•  Reliée depuis 2009 par cable
sous marin à la côte: données
en temps réel
“MOBB to MARS”
•  Required a 3km extension cable from MOBB to MARS
science node.
!"#$%
!&'$
!"((
During leveling…
Titanium vessel
Foam and mylar insulation
Filled with argon
Installation
MOBB
Fév-Avril 2002
Ages des plaques:
10-130 Ma
Kumar and Kawakatsu, 2011
#$"
Ages des plaques:
10-130 Ma
Kumar and Kawakatsu, 2011
#6"
Isothermes
(modèle de plaque)
Début de fusion
partielle selon
Kawakatsu et al.
(2009)
Variation avec l’âge s’atténue à partir de
50 Ma (plus en accord avec le modèle de
plaque déshydratée)
Kumar and Kawakatsu, 2011
#7"
3- Précurseurs aux ondes SS et PP
* Ondes réfléchies
* Échantillonnent les océans et les continents
#>"
Schmerr, 2012
#="
3- Modélisation des précurseurs aux ondes SS (longue période)
Rychert and Shearer, 2011
#B"
Profondeur en fonction de l’âge
de la plaque
Profondeur en fonction de la distance
mesurée le long de la
direction de la plaque
Rychert and Shearer, 2011
#L"
Bathymétrie en fonction de l’âge de la plaque ou de la distance le long de la direction
de mouvement de la plaque:
Le refroidissement de la plaque serait contrôlé par le manteau en convection
"
Adam and Vidal, 2010
$M"
Profondeur en fonction de la distance
mesurée le long de la
direction de la plaque: meilleure corrélation?
-> Ce résultat suggère que la profondeur de la
LAB est contrôlée par refroidissement conductif
le long des lignes de mouvement de la plaque
-> Ceci n’explique pas la discontinuité forte
observée
Rychert and Shearer, 2011
$!"
Schmerr, 2012
N("O3.)"&P+.3<"Q+)"45'J),3K+R'()"4,"Q3S&13),13)TT"
$#"
Schmerr, 2012
$$"
Schmerr, 2012
$6"
Rychert et al., 2012
$7"
Profondeur de la LAB océanique en fonction de l’âge du fond marin, comparée
aux isothermes des modèles empiriques de plaque
Rychert et al., 2012
$>"
Conductivité électrique à partir
des données magnétotelluriques
•  Les variations du champ magnétique terrestre dues
aux causes externes (soleil, orages) induisent des
courants électriques (telluriques) dans la croûte et le
manteau
•  On mesure simultanément les composantes
orthogonales du champ magnétique et électrique !
impédance ! Modèle de résistivité électrique
•  Fréquences de 10,000 Hz à 10-3 Hz
–  Les périodes plus longues permettent l’accès aux plus grandes
profondeurs
$="
Résistivité électrique à partir des
données magnétotelluriques
•  La résistivité dépend de:
–  Température
–  Composition
–  Présence de fusion partielle
–  Contenu en H2O
•  Comparaison des mesures sur le terrain
avec les résultats de laboratoire sur la
péridotite sèche
$B"
Mesures de résistivité électrique dans la croûte et le manteau supérieur
océanique: expérience MELT
1- Zone axiale de 100 km de large, de
forte conductivité
2 - La conductivité augmente
significativement vers 60 km
de profondeur
Baba et al., 1996
$L"
"-S).)RK.*S"normalisée par rapport à un modèle
de péridodite sèche, Tp = 1350oC
Modèle anisotrope
Modèle isotrope
EU"Incompatible avec modèle purement
thermique
-> fusion partielle à l’aplomb de la ride
->déshydratation de la lithosphère plus
loin de la ride, avec présence de LPO
Baba et al., 1996
G"
V"84.3,&R'("4,"P+"3.4,@"
W"84.3,&R'("K,3R&+P,@"
6M"
Image plus détaillée de la conductivité
sous la ride Est Pacifique (Nord):
Vitesse d’ouverture: 11 cm/an
>10 vol% fusion partielle?
Key et al, 2012
6!"
Stabilité de la roche en fusion partielle en fonction de la composition
et de la profondeur, en présence de volatiles (H2O et CO2)
Quantités de volatiles considérées:
100 10-6 H2O, 60 10-6 CO2
-> CO2 très incompatible dans les
Tp: 1300oC
"
Plaque d’épaisseur
125 km
silicates: dissolution dans le
produit de fusion
-> H2O a plus d’effet sur le
Solidus que CO2
Tp: 1350oC
"
MXM#6Y"
Hirschmann, 2010
6#"
Stabilité de la roche en fusion partielle en fonction de la composition
et de la profondeur, en présence de volatiles (H2O et CO2)
Vs: Ritzwoller et al., 2005
ZMX!Y"
ZMXM#7Y"
Vs: Priestley et al., 2006
Quantités de volatiles considérées: à partir des mesures dans les échantillons de MORB:
100 10-6 H2O, 60 10-6 CO2
Température potentielle: 1350oC
Hirschmann, 2010
6$"
Mesures de résistivité électrique loin de la ride
Résistivité dans la direction du
mvt de la plaque:
Naif et al., 2013
Lithosphère
"
"
Couche de forte
conductivité: 2 fois
plus conductive dans la direction parallèle au mouvt de la
plaque que dans la direction perpendiculaire
66"
Combien de H2O?
Combien de fusion partielle?
Fusion partielle
Niveau d’hydratation
800 ppm de H2O nécessaires en
l’absence de fusion partielle
Naif et al., 2013
67"
Géothermes
pour un modèle
de plaque à 23 Ma
Solidus
suivant contenu
en H20 de la roche
-> Anisotropie dans la couche de forte conductivité:
Réseau d’inclusions fluides de forme allongée dans
la direction du mouvement de la plaque
->Ces inclusions pourraient être mises en place à la ride
au moment de la formation de la lithosphère
Naif et al., 2013
-> élongation due au cisaillement associé au mouvement
6>"
de la plaque
Nature de la LAB sous les océans?
•  Le comportement de la plaque océanique ne suit ni les
prédictions d’un modèle de demi-espace qui se refroidit au
cours du temps, ni celui de la plaque dont la base est un
isotherme
•  Les résultats récents sont plus favorables au modèle de
lithosphère déshydratée au moment de sa formation à la
ride
•  La présence de fusion partielle (favorisée par la présence
d’H), dans une couche fine juste au dessous de la LAB n’est
pas exclue.
•  Cette couche pourrait être plus ou moins continue, et
formée de bandes alternées avec ou sans fusion partielle,
avec inclusions fluides alignées horizontalement dans la
direction du mouvement de la plaque.
6="
Rôle de la zone à faible viscosité pour
la tectonique des plaques
•  On pense depuis les années 1970 que sa présence favorise
le régime particulier de tectonique terrestre, avec plaques
rigides mobiles de grandes dimensions qui persistent
pendant des temps longs (200 Ma)
•  Le point de vue classique est que le contraste de viscosité
à la base de la plaque “lubrifie” le mouvement des plaques
rigides
•  Ce n’est que récemment que l’on a pu avoir accès à des
calculs numériques suffisamment puissants pour explorer
plus à fond l’espace des paramètres dans la modélisation de
la convection à l’’échelle du manteau terrestre.
6B"
Cas d’une viscosité dépendant fortement
de la température"
A= contraste de viscosité
entre la couche externe
et le manteau “chaud”
Régime transitoire
“mobile lid” –
où la tectonique des
plaques est possible
à condition de rajouter
d’autres facteurs pour
diminuer la rigidité de la
lithosphère (en particulier
la déformation cassante le long de failles)
“stagnant lid”
Cas d’une
rhéologie nonNewtonienne
(n=3)
Tout le fluide
convecte
Solomatov and Moresi, 1997
Rôle de la stratification en viscosité pour la convection
mantellique
;P,1%"[3'.4"
\+1(,"%"&]+14"
Champ des températures
aux profondeurs >250 km
régime stationnaire
Spectre des hétérogénéités
Modèle
isovisqueux
"%!X="!M#6"^+")"
Comme en a),
viscosité 30 fois
plus faible
(augmentation du
Ra)
Bunge, Richards, Baumgartner, 1996
Modèle incompressible
7M"
Chauffage interne uniforme, approx de Boussinesq
Rôle de la stratification en viscosité pour la
convection mantellique
Spectre des hétérogénéités
Viscosité dans
le manteau
supérieur
réduite d’un
facteur 30
Comme en b),
viscosités 10 fois
plus faibles
Bunge, Richards, Baumgartner, 1996
7!"
Tomographie sismique globale en Vs
SAW24B16
Mégnin and
Romanowicz, 2000
Spectrum of heterogeneity
Spectre des hétérogénéités de température
Transition de phase
endothermique à 670 km
de profondeur
et chauffage par le bas (20%)
"
Bunge et al., 1996
7$"
•  Différence de viscosité entre le manteau supérieur et
inférieur favorise une morphologie de convection
proche de celle observée (e.g. Bunge et al., 1996)
•  Modèles mécaniques de plaques montrent qu’une zone
à faible viscosité est nécessaire pour que la
lithosphère garde sa cohérence près des zones de
cassure
Plateness = 1!Vrms / Vp
_Q"K.*,)),"/'G,((,"4+()"
P+"QP+01,"
_3/)",&+3*E*GQ,"A"P+"K.*,)),"/'G,((,"
Zhong et al., 1998
76"
Effet d’une zone à faible viscosité
sur l’existence de plaques lithophériques
Exemple pour une
contrainte de rupture = 80MPa
_.*,)),"4,"4S['3/+R'("8),&E!@"
Richards et al., 2001
->Modèle cartésien 2D
->Rhéologie Newtonnienne dépendant de la température
->Chauffage interne, refroidit par le haut
->Contrainte de rupture variable pour la lithosphère
77"
Introduction d’une zone à
faible viscosité (/100):
quand T>To de la base
de la lithosphère
Base de la LVZ: 500 km
(arbitraire): augmentation
d’un facteur""`"
La viscosité
peut ainsi réduite
de manière
“naturelle” dans les
régions de courants
ascendants (rides)
Richards et al., 2001
7>"
Cas no 1: 2D
Viscosité
Bleu=faible
(1020Pas)
Vert=1028Pas
Température
Bleu (44oC)
Rouge (1437oC)
Plaques
froides
stables
Couche
externe
rigide"
Couche externe
mobile
Richards et al., 2001
7="
Contrainte de rupture (lithosphère)
Contraste
de viscosité
Un comportement avec “plaques” est favorisé par la présence
d’une zone à faible viscosité sous une lithosphère rigide (cassante)
Richards et al., 2001
7B"
Extension au cas 3D
P'O8"K.)&').*S@<"3'1O,"$"a!M#$"^+)b"JP,1"!M#!"^+)"
Champ de vitesses à la surface
Richards et al., 2001
7L"
•  Pourquoi la présence d’une zone à faible viscosité
(LVZ) favorise-t-elle:
•  (1) les structures convectives de grande longueur d’onde?
–  Busse et al. (2006); Lenardic et al. (2006) montrent que la
LVZ “canalise” le mouvement de matière et diminue la
dissipation latérale associée aux cellules de convection de
grande échelle
• 
(2) la présence d’une tectonique des plaques pour une
grande plage de valeurs de contraintes de rupture?
- Amplification des contraintes dû à la restriction du flux de
matière dans une zone étroite? (Hoink et al., 2012)
>M"
Développement de lois d’échelles pour l’estimation
des contraintes de cisaillement à la base des plaques
Théorie de la “couche limite” classique
Théorie modifiée (Lenardic et al., 2006)
Hoink et al., 2012
>!"
Cas d’une
asthénosphère
étroite
µ:%!D$M"
"
µ:%!D!MM"
Cas d’une
asthénosphère
plus épaisse:
Comportement
épisodique
entre deux états:
"""""""""""")*+O(+(*"P.4"
""""'K,3*13("
Hoink et al., 2012
>#"
Trade-offs entre l’épaisseur de la LVZ, le contraste de viscosité entre la LVZ et
le manteau (mA), et le processus qui détermine l’épaisseur des plaques
(refroidissement thermique ou lithosphère déshydratée)
c'(*3+.(*,"4,"&.)+.PP,/,(*"
A"P+"J+),"4,"P+"P.*]')Q]d3,"
!  Les lois d’échelle (et les simulations 3D) prédisent que les niveaux
de contrainte augmentent lorsque le flux de matière est canalisé dans une LVZ
c'(*3+.(*,"
('3/+P.)S,"Q+3"3+QQ'3*"+1"
&+)")+()"9_W"
Hoink et al., 2012
La présence d’une
asthénosphère favorise
la tectonique des plaques
en amplifiant les
niveaux de contrainte
sous les plaques ce qui
entretient ou réactive les
limites de plaque
Ceci par opposition à un
effet “lubrifiant”
>$"